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人们从来没有观察到单独存在的夸克，这一直使物理学家困惑。为什么没有观察到夸克呢？根据夸克模型，质子和中子等由3个夸克构成，介子由两个夸克构成。在现代的高能加速器中，分裂质子、介子等粒子并不困难，但分裂来分裂去的结果总是得到其他种类的强子，从来得不到单独的夸克。物理上无法得到某粒子的可能性之一是这种粒子“很重”，质量特别大，大到超过我们现有的加速器能够达到的能量极限。夸克显然不属于这种情况，因为它的质量大约只有质子质量的1％。
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夸克不能被“看到”的状况有些类似于想要得到磁单极的努力。众所周知，任何磁铁都包含一个南极和一个北极。如果从中间将磁体一分为二，就会得到两个磁体，每个都有南极和北极，绝不会得到单独的南极或者北极。尽管用我们现有的技术得不到磁单极，但我们大概明白这个现象的原因。那是因为在我们的世界中，存在电荷但不存在磁荷，磁现象是作为描述电荷的运动而引进的。然而，这种说法也难以用来解释夸克的情形。
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有趣的是，夸克被三三两两地关在“质子”“介子”这种锁得紧紧的笼子里，远处看起来像囚犯一样，但是笼子里的夸克却很自由，像是没有感受到束缚的自由粒子，这就是所谓的“渐近自由”，是指在强作用的力程范围之内，夸克受到的力很小，运动自如。因为在力程范围内，强作用随距离的增加而增加，随距离的减小而减小。这个特点与通常所见的弹簧类似。弹簧就是拉得越长，回复的力量越大，见图5-6-3。
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图5-6-3 磁极、夸克禁闭、弹簧模型
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强相互作用“渐近自由”的特性被好几位物理学家发现，但认真进行研究的是20世纪70年代初的2名研究生。一位是哈佛大学的波利则（D．Politzer），是盖尔曼的学生的学生。另一位是普林斯顿的维尔切科（F．Wilczek），他和导师格罗斯（D．Gross）一起研究这个问题。因此，之后这三位物理学家因为此项研究的成功而共同分享了2004年的诺贝尔物理学奖。
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实际上，“渐近自由”是杨－米尔斯规范理论的性质，但只在强作用中有明显表现。
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渐近自由和夸克禁闭，强作用的这两种特性在本质上联系在一起。夸克禁闭及渐近自由可以从图5-6-2来定性理解。胶子如弹簧（或橡皮筋）般地将夸克拉住。夸克之间距离越近，弹簧就越松弛，使夸克越自由。而距离一旦变远，便会被弹簧强力拉回。如果有足够大的能量，橡皮筋是可以被拉断的。但是，夸克的情况有所不同，拉断夸克之间的“橡皮筋”所需的能量太大了，大大地大于制造两个新夸克所需要的能量。我们之前说过，夸克质量大概只有质子质量的1％，“橡皮筋”（胶子）的束缚能占了质子质量的90％以上。因此可以说，拉断皮筋所需能量至少是制造新夸克需要能量的好几十倍。结果会怎么样呢？橡皮筋似乎拉断了，但是橡皮筋的末端制造出了两个新的夸克，就像图5-6-3所描述的情况。所以我们得到的最终结果并不是单独的夸克和反夸克，而是两个新的强子。
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(1) 1GeV＝1.6×10-10J
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 第六篇 大爆炸、统一论及其他
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1．观察时间的起点
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从远古时代起，人类就开始了对天体运行及宇宙起源的探索和思考。无论是西方《旧约》中的上帝创世纪，还是中国神话中的盘古开天地，都将天地宇宙描述成是处于永恒的运动和变化之中。既然宇宙并非静止不变，那么它是否有一个起点和终点？它是如何演化成我们现在所观察到的这种形态的？
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一百多年前，大多数宇宙学家们认为宇宙空间上是均匀而各向同性的，时间上没有开始也没有结束。但是，1929年，天文学家哈勃的观测事实改变了人们的观点，证明我们的宇宙正在膨胀。所有的星系都在远离我们而去，星系和星团间的距离在不断增大。
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科学家们根据所观测到的宇宙膨胀数据，认为宇宙起源于大约138亿年之前的一次大爆炸（图6-1-1），那时候，宇宙中的所有质量都集中在一个几何尺寸很小的“原生原子”上，我们现在所感受到的时间和空间结构，就是从这个“奇点”爆炸而产生的。大爆炸理论并不完善。但它是迄今为止能够解释更多的天文现象而被物理学家天文学家普遍接受的宇宙演化理论。
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图6-1-1 大爆炸宇宙模型
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本书介绍的物理学统一理论，与宇宙学中的“大爆炸”理论又有什么关系呢？两者看起来好像迥然不同，研究对象的尺度更是天壤之别。统一理论研究的大多数是微观世界的规律：量子力学、量子场论和基本粒子、相互作用，是往微观方向深入发展下去。而宇宙学研究的是天文数字级别的星球、星系、宇宙演化等宇观尺度的事物。大爆炸理论，也只是一个假说，即使是真实的，也是发生在138亿年之前的事情，和我们现在进行的物理统一理论怎么能联系到一块儿呢？
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但出乎人们意料之外，这两件事情的确是紧密相连的。
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首先回顾一下我们在介绍弱电统一理论时的图5-5-2。当能量增加到1012GeV之后，即粒子之间的距离小于10-17m时，电磁作用和弱相互作用表现为同一种力。从图5-5-2上进一步可知，如果能量再增加到1018GeV时，强相互作用也和弱电一致了，三种力实现大统一。如果距离再继续减小，能量继续增加到1021GeV之后，到达量子引力阶段，引力也只好屈服了，四种相互作用成为统一的一种。
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可以将我们的“统一之路”用能量级别画出来，如图6-1-2所示。看看统一之路通向何方？我们当前已经走到了什么地方？如图所见，能量越高越走向统一，这也就是人类为什么要花费非常昂贵的经费来建造速度越来越高的加速器的原因，因为那是一条能够带领我们探索自然走向统一的“高能”公路。
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